配電網弧光接地過電壓及抑制措施研究

海彬，曾澤宇，李超，劉偉

(1.長沙市昌遠電氣科技有限公司，湖南 長沙 410014；2.國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007)

0 引言

隨著經濟發展，城市電纜線路數量和長度逐年增加，配電網發生單相接地引發弧光風險也相應增大[1]，70%的電氣火災是故障電弧引起的[2]。配網中性點不接地系統發生單相接地故障，且當故障點電流不足以維持電弧的穩定燃燒時，會形成時斷時續的間歇性電弧，系統電感電容回路發生振蕩，產生弧光接地過電壓，對系統穩定運行產生不利影響[3-4]。

弧光接地過電壓對電力系統的穩定運行有著重要的影響。實際弧光接地過電壓只能在電力系統發生故障時測得，而通過采用仿真手段模擬過電壓，不僅能得到過電壓的模擬結果，而且操作簡單，不會對電力系統的運行造成任何影響，因此受到了很多學者的關注。

本文在ATP-EMTP平臺上搭建10 kV配電網弧光接地過電壓仿真模型，分析特定工況下弧光接地過電壓的幅值特性。針對弧光接地過電壓的特性，提出中性點經消弧線圈接地、中性點經電阻接地、故障相投接地電阻三種抑制弧光接地過電壓的方法，并比較三種抑制方法的優劣。

1 仿真模型的建立及參數選取

基于ATP-EMTP平臺搭建仿真模型如圖1所示，電路圖主要包括系統三相電源模塊、變壓器模塊、對地電容模塊、弧光接地模塊。為簡化模型，僅考慮一條出線在空載運行時發生單相接地故障的情況，且單相接地故障發生在短路相相電壓取最大值時。利用ATP-EMTP軟件對弧光接地過電壓模型進行仿真研究，以電弧的多次燃熄為激發條件，對弧光接地過電壓的特點有初步的認識，為提出弧光接地過電壓的抑制措施打下基礎[9-10]。

圖1 10 kV中性點非有效接地系統仿真模型

下面分別介紹各個模塊的作用原理及參數設置。

1)電源模塊:仿真模擬的是10 kV配電線路，電壓源幅值設置為110 kV、頻率為50 Hz，三相電源相位相差120°。

2)變壓器模塊:變壓器選擇BCTRAN模型[11]，接線為Y/Y接線，額定變比為110/10，空載電流(I0)百分比為0.49%，短路電壓(Uk)百分比為12.79%，空載損耗P0為38.3 kW，短路損耗Pk為137.3 kW[12]。

3)對地電容模塊:每相導線對地電容設置為0.5μF，忽略其他參數對仿真模型的影響。

4)弧光接地模塊:弧光接地的接地電阻是動態電阻，經典的電弧模型有Cassie模型和Mayr模型[13]。本仿真的目的是研究過電壓理論幅值、頻率、圖譜特性，而不是對接地電阻進行細致地研究，從簡化模型的角度出發，假定接地電阻為定值，并取值為1Ω[14]。

仿真使用三個不同開閉時間的開關模擬弧光接地過程中的三次重燃和三次熄滅的過程。仿真模擬的是A相線路發生單相接地故障，在A相相電壓達到最大值時產生接地電弧，這種情況是過電壓最嚴重的情況。經計算，設置第一個開關的閉合時間為0.028 37 s，此時A相相電壓達到最大值。半個工頻周期后，工頻電流過零時認為電弧電流過零，此時認為電弧熄滅，所以第一個開關的斷開時間設置為0.038 37 s。同理，第二個開關的閉合和斷開時間分別為0.048 37 s、0.058 37 s，第三個開關的閉合和斷開時間分別為0.068 37 s和0.078 37 s[15]。

2 仿真結果分析

仿真模擬10 kV系統一條出線空載運行時發生單相接地故障的情況，系統經歷了三次電弧的建立與熄滅。圖2—6為電壓波形圖，其中圖2為三相電壓波形，為了方便觀察，圖3到圖5分別給出A、B、C三相的電壓波形，圖6為中性點的電壓波形圖，能夠觀察中性點處的電壓偏移。

圖2 ABC三相的電壓波形

圖3 A相電壓波形

圖4 B相電壓波形

圖5 C相電壓波形

圖6 中性點處電壓波形

理論上，發生單相接地故障前，系統三相電壓分別為uA=Em，uB=-0.5Em，uC=-0.5Em，發生單相接地故障的瞬間，A相電壓突降為0。由于電源電感向非故障相(B相、C相)的電容進行充電，非故障相的對地電壓將由初始的-0.5Em振蕩變化變為新的穩態電壓瞬時值-1.5Em。因此，B、C兩相出現幅值為-2.5Em的過電壓。在故障點熄弧瞬間，三相電壓分別為uA=0、uB=1.5Em、uC=1.5Em。某10 kV出線A相非金屬接地短路事故中，在電弧熄孤瞬間B、C相錄波電壓為正常電壓的約1.7倍，與本文分析接近[16]。熄弧后B、C相上儲存的電荷在三相導線對地電容間平均分配，導致三相導線對地有一個偏移電壓Em。熄弧不會引起過渡過程，半個周期后uA達到2Em時電弧重燃，產生電弧前瞬間非故障相的對地電壓均為0.5Em，燃弧后瞬間非故障相對A相的線電壓均為-1.5Em，因此，振蕩過程中非故障相的過電壓幅值均為-3.5Em。燃弧后瞬間三相電壓分別為uA=0、uB=-3.5Em、uC=-3.5Em，后續每隔半個工頻周期的熄弧與重燃均與以上分析相同。可以看出，中性點不接地系統發生間歇性電弧接地時，非故障相最大過電壓為3.5Em，而故障相上的最大過電壓為2Em。某10kV出線因雷擊引起B相瓷瓶接地，導致A、C相電壓升高，隨后因諧振作用非故障相電壓最高達到3.5倍相電壓，最終造成母線故障。這與本文仿真計算結果一致[17]。

實際仿真中，燃弧瞬間A相電壓為10 kV，B、C相電壓均為-5 kV。發生單相弧光接地第一次燃弧后，A相電壓uA=0 kV，B、C兩相出現振蕩，uB=-24 kV，uC=-25 kV，過電壓的幅值為-2.5Em，與理論分析相符。熄弧瞬間，A相電壓為0 kV，B、C相電壓均為15 kV，熄弧后三相均出現10 kV的電壓偏移。第二次重燃時，A相電壓由22 kV突變為0 kV，B相電壓由6 kV突變為-36 kV，C相電壓由6.6 kV突變為-37.2 kV，這與理論分析中B、C兩相從0.5Em突變至-3.5Em結論一致。第三次重燃與第二次重燃的數據基本一致。仿真結果表明，發生弧光接地時，非故障相的最大過電壓為37 kV左右，故障相的最大過電壓為22 kV，而理論推得非故障相最大過電壓為3.5Em，故障相上的最大過電壓為2Em，仿真實驗結果與理論分析吻合度高。

3 弧光接地過電壓抑制措施分析

為降低弧光接地過電壓對絕緣的威脅，必須消除不穩定的間歇性電弧。在中性點非有效接地系統中，抑制弧光接地過電壓的措施主要有三種:中性點經消弧線圈接地、中性點經電阻接地和故障相投接地電阻。現通過ATP-EMTP軟件分別探究其抑制效果。

3.1 中性點經消弧線圈接地

消弧線圈是一個接在中性點與地之間的不易飽和的可調電感線圈，在國內應用較為廣泛。當三相線路的某一相發生接地故障時，可通過調節消弧線圈的電感值L，顯著減小接地點處的電流，使接地電弧熄滅。該方式還降低了電弧間隙的恢復電壓上升速度，使電弧不易重燃，進而限制間歇性電弧接地過電壓。

現假設三相線路中A相線路發生對地短路故障，中性點經消弧線圈L接地后，接地故障點流過的電容電流IC如式(1):

式中，ω為三相線路的電壓頻率；C0為A、B、C相中任意一相的等效對地電容；EA為A相電源的相電壓。

流過故障點的電流I如式(2):

式中，I L為與電容性電流相位相反的流過消弧線圈的電感性電流；L為消弧線圈的電感。

當消弧線圈的電感值滿足L=1/3ω2C0時，流過故障點的電流將為零，此時對應其全補償的工作狀態。然而，工程上常采用過補償而不是全補償工作方式。進一步分析其原因，對中性點N列節點電壓方程如式(3):

式中，Y1、Y2、Y3分別為A、B、C三相線路各自的對地導納；YL為中性點經消弧線圈接地后對地的導納；EA、EB、EC分別為A、B、C三相線路各自的相電壓；UN為中性點對地電勢。

若不考慮損耗，則有:

式中，CA、CB、CC分別為A、B、C三相線路各自的對地電容。

將式(4)帶入式(3)中可得到式(5):

當消弧線圈采用全補償工作方式時，式(5)的分母接近于零，中性點處的電壓UN將顯著增大，威脅系統的運行安全。行業標準規定，在正常運行情況下，中性點的長時間電壓位移不應超過系統標稱相電壓的15%。因此，通過計算，在仿真軟件中將電感設置為28 mH，中性點經消弧線圈接地的仿真模型及三相波形如圖7、圖8所示。

圖7 中性點經消弧線圈接地仿真模型

圖8 中線點經消弧線圈接地ABC三相電壓波形

圖8所示的仿真結果表明，中性點經消弧線圈接地后，非故障相的最大過電壓為-23.4 kV，故障相的最大過電壓為3.6 kV，與中性點未經電阻接地時相比分別降低了37%和84%。由此可見，中性點經消弧線圈接地可顯著降低弧光接地過電壓。

3.2 中性點經電阻接地

中性點經電阻接地方式是在中性點與大地之間接入一定阻值的電阻。接地電阻與系統對地電容構成并聯回路，作為耗能元件、電容電荷釋放元件和諧振的阻壓元件，在防止弧光接地過電壓和諧振過電壓方面具有一定優勢。目前，工程上普遍采用在接地變壓器二次側接小電阻的方法實現該接地方式。

現假設三相線路中A相線路發生對地短路故障，對中性點d列節點電壓方程如式(6):

利用戴維南等效電路推導出電弧電壓如式(7):

根據上述分析，電荷的不斷積累是產生弧光接地過電壓的根本原因，而接地電阻相當于并聯在電網對地電容上的旁路電阻，使得電網對地電容上的殘余電荷經過放電回路消耗掉，從而有效降低了弧光接地過電壓。同時，接地電阻降低了故障相恢復電壓的上升速度，進而降低電弧重燃的可能性。

中性點經電阻接地與消弧線圈接地相比，接地電弧由于電流相位的改變而更易自熄。此外，接地電阻通過吸收諧振能量從根本上抑制了系統諧振過電壓，進一步促使接地電弧自熄。最后，該接地方式還方便配置單相接地故障保護，可以在短時間內選擇性切除接地故障線路。

在仿真軟件中將接地電阻設置為1 kΩ，中性點帶電阻接地的仿真模型及三相電壓波形如圖9和圖10所示。

圖9 中性點經電阻接地仿真模型

圖10 中線點經電阻接地ABC三相電壓波形

圖10所示的仿真結果表明，中性點經電阻接地后，非故障相的最大過電壓為-25 kV，故障相的最大過電壓為10 kV，與中性點未經電阻接地時相比分別降低了33%和55%。由此可見，中性點經電阻接地可有效限制弧光接地過電壓。理論上，電阻值越小，抑制弧光接地過電壓的效果越好。然而，對于中性點經小阻抗接地系統，一旦發生單相接地故障，接地點將有極大的短路電流流過，大電流將使斷路器跳閘以徹底消除弧光接地過電壓。此情況將導致檢修維護的操作次數增多，影響供電的連續性。某工業10 kV電網驗證了中性點經電阻接地方法對抑制過電壓的有效性[18]。

3.3 故障相投接地電阻

當三相電力線路發生單相接地短路故障時，電能在電網中重新分配而導致振蕩，這是弧光接地過電壓產生的本質。因此，可在故障相投入電阻以消耗能量，從而抑制弧光接地過電壓。故障相電阻的投入原則是，先利用選相裝置找出故障相，然后選擇相匹配的電阻。以A相投入1 kΩ電阻的情況進行仿真，仿真模型和三相電壓波形分別如圖11和圖12所示。

圖11 故障相投接地電阻仿真模型

圖12所示的仿真結果表明，故障相投接地電阻后，非故障相的最大過電壓為-18.5 kV，故障相的最大過電壓為4.2 kV，與未投入接地電阻時相比分別降低了50%和81%。由此可見，故障相投接地電阻可顯著降低弧光接地過電壓。需要注意的是，故障相投接地電阻一定程度上會影響系統的電壓分配。為此，還需配備選相控制裝置、電阻選擇控制等設備，確保故障發生時先選出故障相，再進行相應的電阻投切動作。

圖12 故障相投接地電阻ABC三相電壓波形

4 結語

本文搭建了10 kV配電網發生單相弧光接地的模型，提出了三種抑制配電網弧光接地過電壓的措施:中性點經消弧線圈接地、中性點經電阻接地、故障相投接地電阻。仿真結果表明:三相電壓波形真實地反映了過電壓的發展過程，與理論吻合較好；三種措施均可有效地抑制配電網弧光接地過電壓。其中，中性點經消弧線圈接地的抑制效果最好，其故障相的最大過電壓與中性點未經電阻接地時相比降低了84%，且該方式不需要投入其他設備。本文的研究結果為廣大地區的配電網提供了限制弧光接地過電壓的有效措施，具有一定的工程價值。